方憶剛，郭飛翔

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 451452)

永城市煤炭資源豐富，是全國六大無煙煤基地和煤化工重要基地，對豫東經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題。大量煤礦塌陷區(qū)的產(chǎn)生和擴(kuò)大，已開始制約了永城市經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展。永城市東西城區(qū)間采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程作為全國首批礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程項(xiàng)目[1-2]，實(shí)施采煤塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，發(fā)展湖山景觀旅游，以旅游帶動多種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅改善了當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境，而且實(shí)現(xiàn)了永城市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，為以采煤生產(chǎn)為主的城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提供借鑒和參考。

1 工程概況

永城市煤炭資源豐富，開采歷史悠久，主要開采二疊系山西組和下石盒子組煤層，采煤區(qū)地表變形明顯，形成了較大面積地面塌陷區(qū)，使原有土地成為沼澤地、濕地，失去了耕種功能。本次擬通過人工湖開挖、人工島和土地平整等工程措施服務(wù)于日月湖景觀規(guī)劃和設(shè)計，涉及治理面積600 759.77 m2，實(shí)現(xiàn)資源枯竭的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和社會、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。其中，人工湖和人工島工程面積為260 759.77 m2；土地平整工程面積為340 000 m2。

2 地質(zhì)環(huán)境背景

(1)自然地理。區(qū)內(nèi)處于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，夏季多東南風(fēng)和南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)和北風(fēng)；年平均降水量800 mm；結(jié)冰期為11月至翌年3月，最大凍土深度為21 cm；位于張橋閘下游，下游河底標(biāo)高為+28.2 m，地面標(biāo)高為+32.8 m，多年水位標(biāo)高+28.8～+29.9 m；位于黃河泛濫沖積平緩平原，地形平坦開闊，地勢西北高東南低，地面坡降為1/4 500～1/6 000，地面標(biāo)高+32～+34 m，被第四系全新統(tǒng)粉土和粉質(zhì)黏土所覆蓋。

(2)地質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)勘探深度范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)河流相黏土、粉土、砂土及人工填土，可細(xì)分為人工填土、粉質(zhì)黏土、黏土和粉砂層4個工程地質(zhì)單元層；地下水位埋深4.2～4.9 m，水位標(biāo)高+27.46～+29.99 m。地下水類型為新生界松散巖類孔隙水、二疊系砂巖裂隙水和灰?guī)r巖溶裂隙水，細(xì)分為9個含水層段。與本工程相關(guān)的為新近系、第四系孔隙含水組，主要為第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水段、第四系更新統(tǒng)孔隙承壓含水段、新近系上新統(tǒng)孔隙承壓含水層和新近系中新統(tǒng)孔空、隙承壓含水層。淺層地下水補(bǔ)給主要為大氣降水垂直入滲補(bǔ)給。

(3)場地條件。區(qū)內(nèi)早期地下采煤活動強(qiáng)烈，地表自然環(huán)境破壞嚴(yán)重，整個治理區(qū)整體塌陷，塌陷中心深度一般為0.5～4.0 m，平均為2.25 m，地面標(biāo)高為+28～+32 m；治理區(qū)地下水位較淺，人工湖開挖時湖底位置泛水，極大地增加了施工難度；西側(cè)湖已蓄水，注意開挖范圍；開挖深度大，宜采取分層開挖，且隨時做好抽排水工作。此外，永城東西城區(qū)間地面塌陷較多，耕地不能耕種，富余勞動力多，用工方便。

3 地質(zhì)環(huán)境問題

受永城市城郊煤礦開采影響，區(qū)內(nèi)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題為地面塌陷、地裂縫、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和土地資源破壞。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型主要為采煤活動形成的地面塌陷及其伴生地裂縫，對地面建筑物和土地?fù)p害嚴(yán)重。采煤地面塌陷特征主要表現(xiàn)為地表塌陷面積相對較大(圖1)、地表下沉速度快、活躍期短、危害嚴(yán)重等。地面塌陷在地表上表現(xiàn)為凹陷盆地形態(tài)，多為碟形洼地，四周略高，中間稍低，中心深度0.5～4.0 m，平均2.25 m，并伴有大量地裂縫。地裂縫往往沿塌陷盆地四周呈條形、弧形、環(huán)狀、半環(huán)狀分布，伴隨地面塌陷成群出現(xiàn)，地裂縫規(guī)模小，長度一般都小于1 000 m，多數(shù)在1～500 m，裂縫寬0.2～1.0 m，個別超過1.0 m，地裂縫破壞性強(qiáng)[3]，影響周期長，對建筑物損壞大，影響土地耕種，地質(zhì)災(zāi)害影響程度嚴(yán)重[4-5]。

圖1 地面塌陷和地形地貌景觀破壞Fig.1 Ground collapse and landform landscape damage

3.2 地形地貌景觀破壞

區(qū)內(nèi)存在不同程度的地面塌陷和地裂縫。各塌陷區(qū)呈碟狀展布，使區(qū)內(nèi)滿目瘡痍，景觀破壞，植被破壞嚴(yán)重，坡面破碎、凌亂，破壞了以前平坦的地貌形態(tài)，對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大[6-7]，對地形地貌景觀影響和破壞嚴(yán)重。

3.3 土地資源破壞

區(qū)內(nèi)土地資源破壞因素為地面塌陷和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)形成了較大面積的地面塌陷區(qū)，地表變形顯著，塌陷區(qū)形成常年積水，使原有土地形成沼澤地、濕地，失去了耕種功能，共破壞土地面積1.264 km2(耕地0.634 km2)，土地資源破壞程度為嚴(yán)重[8-9]。

3.4 含水層破壞

各含水層間存在隔水層，且含水層之間水力聯(lián)系較弱；礦井疏水僅對煤層頂?shù)装逯g含水量有影響，對淺部含水層水位、水量影響較?。粶\層地下水位標(biāo)高為+27.2～+27.6 m,礦山開采對含水層的影響或破壞較輕[10-11]。

4 治理措施

4.1 總體思路

永城市東西城區(qū)間采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程主要服務(wù)于日月湖景觀規(guī)劃和設(shè)計。按照“挖深墊淺”和“挖湖堆山”的總體思路，實(shí)施“二湖四島一座山，三路三溝一綠化”的綠化方案，合理布置挖填區(qū)域，使挖方量與填方量大致持平，建設(shè)一個具有地域性、文化性、時代性的人工湖和景觀山體小島特色景觀，形成“城在林中，道在綠中，房在園中，人在景中”的景觀系統(tǒng)。

4.2 治理工程設(shè)計

區(qū)內(nèi)治理工程主要包括人工湖工程、人工島工程及土地平整工程。

(1)人工湖工程。人工湖工程主要為土方開挖和邊坡修整。土方開挖主要涉及湖底高程、湖岸線高程、湖底線高程、坡度、湖底平整度和坡面平整度，重點(diǎn)在于湖底降排水、高程和平整度。人工湖共開挖面積為260 759.77 m2，開挖土方量為830 898.60 m3，人工湖邊坡平整、壓實(shí)量均為195.90 m3。人工湖開挖區(qū)域內(nèi)地下水水位埋深為5.9～7.1 m，地下水位高程高于開挖的湖底高程，給施工帶來了極大的困難。施工降排水是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵措施，采用預(yù)留隔水壩和降排水的施工措施，保證施工安全。采用“橫向分層、縱向分段、階段掘進(jìn)”的方式施工，坡度遵循從上至下逐級開挖，每層3 m左右，挖湖和修湖岸一次完成，并開挖一級，防護(hù)加固一級；土方開挖主要采用1 m3挖掘機(jī)挖掘，配合自卸汽車進(jìn)行運(yùn)土，并使用推土機(jī)進(jìn)行平整；開挖范圍的上側(cè)嚴(yán)禁棄土，在邊坡上部堆置棄土?xí)r確保開挖邊坡的穩(wěn)定；在挖方下側(cè)棄土?xí)r，將棄土堆表面平整至低于挖方場地標(biāo)高并向外傾斜，檢查湖體下口、湖體水位線及湖體上口標(biāo)高，同時檢查湖岸坡度，不夠時及時修整；明挖過程中，出現(xiàn)裂縫和滑動跡象時，立即暫停施工，并采取合適的應(yīng)急搶救措施；人工湖斜坡坡面成形后，進(jìn)行坡面修整，采取保護(hù)措施，防止坡面被水沖垮和塌方；土方開挖工程中進(jìn)行土方平整，做到平整、無虛土、穩(wěn)定、安全；岸坡挖好后，及時夯實(shí)邊坡，以免造成水土流失[11]。

(2)人工島工程。區(qū)內(nèi)人工島工程包括島2和島3兩座島(圖2)，主要為土方平整、壓實(shí)及護(hù)坡。其中，土方平整60 163.8 m3，小島壓實(shí)60 163.8 m3，護(hù)坡漿砌石10 751.16 m3，砂墊層3 371.15 m3，碎石墊層106.29 m3，PVC排水管984.10 m，土工布30.07 m2，基礎(chǔ)土方開挖14 228.59 m3，伸縮縫299.04 m2。①島2島底面積24 160.90 m2，島頂標(biāo)高+30.2 m，島的邊坡設(shè)計4個坡比，島的后緣下部標(biāo)高在+24.5～+27.5 m的坡比為1∶3,上部標(biāo)高在+27.5～+30.2 m的坡比為1∶6；島的前緣下部標(biāo)高在+24.5～+27.5 m的坡比為1∶2,上部標(biāo)高在+27.5～+30.2 m的坡比為1∶5。其中，標(biāo)高為+24.5～+27.5 m段漿砌石護(hù)坡。②島3島底面積為73 588 m2，島頂標(biāo)高為+30.4 m，島的邊坡設(shè)計2個坡比，下部標(biāo)高在+24.5～+27.5 m段的坡比為1∶3；上部標(biāo)高在+27.5～+30.4 m段的坡比為1∶7。其中，+24.5～+27.5 m段漿砌石護(hù)坡。

圖2 人工湖和人工島示意Fig.2 Schematic diagram of artificial lake and artificial island

島的邊坡+27.5 m以下采用厚30 cm的M10漿砌石護(hù)坡；湖底+24.5 m處采用60 cm×60 cm漿砌石護(hù)底；+27.5 m處有40 cm×30 cm漿砌石平臺，整個漿砌石下面為厚10 cm的砂墊層；邊坡縱向每隔1 m布置φ75 mm的PVC排水管1根，共布置2根，橫向每隔3 m布置1排。排水管與水平方向夾角為5°，孔后用土工布裹護(hù)。島邊坡每20 m處設(shè)置1條伸縮縫。護(hù)坡坡比與各自島的坡比一致[12]。人工島對土方回填進(jìn)行平整和壓實(shí)，涉及島頂高程、壓實(shí)度、邊坡坡度，場地標(biāo)高允許偏差±50 mm，壓實(shí)度>90%。漿砌石護(hù)坡涉及基礎(chǔ)頂標(biāo)高、開挖寬度、基礎(chǔ)底標(biāo)高，主要項(xiàng)目為砂漿飽滿度和表面平整度，基礎(chǔ)頂?shù)讟?biāo)高允許偏差為±10 mm，開挖寬度允許偏差為±100 mm。疊石護(hù)岸工程主控項(xiàng)目有底面高程和頂面高程，主要涉及疊石質(zhì)量和表面平整度。前者用水準(zhǔn)儀檢驗(yàn)高程，并用電子秤檢驗(yàn)塊石質(zhì)量；后者用水平尺檢驗(yàn)表面平整度，頂?shù)讟?biāo)高允許偏差為±10 mm。人工島護(hù)坡工程量見表1。

表1 人工島護(hù)坡工程量Tab.1 Bill of quantities of artificial island slope protection

(3)土地平整工程。區(qū)內(nèi)人工湖的東部、人工航運(yùn)河的西部(含堆山區(qū)域)，面積為0.70 km2，地面標(biāo)高+29.97～+31.90 m，土地平整工程回填高度為32 m(人工湖湖岸標(biāo)高+32 m),土地平整時可根據(jù)原始地形保持一定的坡度，坡度控制在1∶1 000左右[13]，填方量760 908.90 m3，土方來源于人工湖一標(biāo)段的開挖[14-15]。

區(qū)內(nèi)有較大面積的農(nóng)用耕地，土地平整前先將耕地上的熟土剝離50 cm儲存，土地平整區(qū)熟土剝離量為156 192.83 m3；用人工湖開挖的生土回填，人工夯打土20～25 cm，機(jī)械碾壓土30～50 cm，回填到標(biāo)高+31.5 m；頂部覆剝離的熟土，覆土厚度50 cm。填土全部完成后，進(jìn)行表面拉線找平，凡超過標(biāo)準(zhǔn)高程的地方依線鏟平，凡低于標(biāo)準(zhǔn)高程的地方補(bǔ)土夯實(shí)；場地標(biāo)高允許偏差±50 mm，表面平整度允許偏差±30 mm；含水量與最優(yōu)含水量相比允許偏差-4%～+2%；分層壓實(shí)系數(shù)≥0.9。此外，為降低成本和土方平衡，土地平整區(qū)中堆山區(qū)域表土不剝離，直接用人工湖土方回填至標(biāo)高+32.0 m。

4.3 工程效益

(1)減災(zāi)效益。區(qū)內(nèi)位于永城市東西城區(qū)間城郊煤礦區(qū)，多年的采煤活動已造成了大面積的地面塌陷、地形地貌景觀的破壞、含水層破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問題[16]。塌陷區(qū)內(nèi)建筑物、耕地整體下陷，部分居民房屋浸泡在積水中，給居民生活帶來極大的安全隱患和困難。礦山生態(tài)環(huán)境治理不僅消除了地質(zhì)災(zāi)害隱患，而且改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境以及生活環(huán)境(圖3)。

圖3 治理后人工湖和人工島現(xiàn)狀Fig.3 Current situation of artificial lake and artificial island after treatment

(2)環(huán)境效益。項(xiàng)目的實(shí)施有效改善了采煤塌陷區(qū)的環(huán)境，使景觀得到充分的改善、綠化愈加美觀，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境以及生活環(huán)境，其自然、美觀、環(huán)保的形象，為永城人民打造了一處休閑娛樂的好去處，讓大家的身心得到了放松、變得愉悅，環(huán)境效益非常顯著。同時，隨著旅游產(chǎn)業(yè)的不斷開發(fā)，永城市境內(nèi)旅游景區(qū)的社會形象將不斷提升，吸引更多的游客觀光游覽，充分實(shí)現(xiàn)了其景觀價值。

(3)社會效益。項(xiàng)目治理過程中，將存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患、地質(zhì)環(huán)境問題實(shí)行連片、分階段治理，使礦山地質(zhì)環(huán)境得到了明顯的改善，為當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)、生活創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境，提高了當(dāng)?shù)鼐用袷杖搿４送?，?shí)施日月湖規(guī)劃和設(shè)計優(yōu)化了旅游環(huán)境，使永城市境內(nèi)旅游景區(qū)的社會形象得到提升，同時吸引更多的游客到永城觀光游覽，推動了永城旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會效益明顯。

總之，永城市東西城區(qū)間采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程治理塌陷區(qū)面積0.35 km2，新增水域面積0.35 km2，不僅改善了當(dāng)?shù)丨h(huán)境地質(zhì)條件，而且實(shí)現(xiàn)了資源枯竭城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。以旅游帶動多種產(chǎn)業(yè)配套、協(xié)調(diào)發(fā)展，為永城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，達(dá)到了社會效益、環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

5 結(jié)論

(1)永城市采煤塌陷區(qū)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題為礦區(qū)地面塌陷、地裂縫、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和土地資源破壞。地面塌陷及其伴生地裂縫對地面建筑物和土地?fù)p害嚴(yán)重，地質(zhì)環(huán)境問題嚴(yán)重，對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度嚴(yán)重，對土地資源破壞程度嚴(yán)重，對含水層的影響或破壞較輕。

(2)按照“挖深墊淺”和“挖湖堆山”的思路，合理布置挖填區(qū)域，實(shí)施人工湖、人工島及土地平整工程治理措施，不僅消除了安全隱患，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及生活環(huán)境，而且服務(wù)于日月湖規(guī)劃和設(shè)計，推動了永城市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。